KR102096992B1 - 송변전용 3상용 단상 전력 변압기 보호회로 시스템 - Google Patents

송변전용 3상용 단상 전력 변압기 보호회로 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 송변전용 3상용 단상 전력 변압기 보호회로 시스템에 관한 것이다. 그러한 전력 변압기 보호회로 시스템은, 고압측인 3상의 1차측 권선(2) 및 저압측인 3상의 2차측 권선(4)으로 각각 구성되는 3상 전력 변압기(3)와; 3상 전력 변압기(3)의 전원측에 각각 연결되어 1차측 권선(2)과, 2차측 권선(4)과, 접지측의 전류를 검출하는 계기용 변류기(CTA,CTB,CTC,CTa,CTb,CTc)와; 3상 전력 변압기(3)에 연결되어 접지측의 전류를 검출하는 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc)와; 계기용 변류기(CTA,CTB,CTC,CTa,CTb,CTc) 및 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc)와 연결되어 1차측 권선(2)과, 2차측 권선(4)과, 접지측의 비율의 차전류값을 비교하여 차전류 발생시 작동하는 검출기(7a,7b,7c)와; 검출기(7a,7b,7c)와 연동하여 본선과 전력 변압기(3)를 차단하여 분리하는 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)와; 그리고 전력 변압기(3)와, 검출기(7a,7b,7c) 및 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)와 연결되어 차전류 발생시 상기 개폐기(9a,9b)를 작동시키고 경고를 발생하는 제어기(11a,11b,11c)를 포함한다.

Description

송변전용 3상용 단상 전력 변압기 보호회로 시스템{System for protective circuit of 3 phase trasnformer using single pole transformer bank for electric power transmission and transformation}
본 발명은 송변전용 3상용 단상 전력 변압기 보호회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3상 전력 변압기에 있어서, 각 상별로 검출기를 적용하여 각 비율의 차전류값을 비교함으로써 전력 변압기의 내부 혹은 외부사고를 판단하여 부하(가압) 및 무부하(비가압) 중에 본선과 용이하게 분리할 수 있는 전력 변압기 보호회로 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 변압기(Transformer)는 교류 배전선의 전압이 1차측에 공급되어 전자유도작용에 의해서 전압 및 전류를 변성하여 2차측에 공급하는 기기이다. 이러한 변압기는 수전설비, 전주, 또는 지상에 설치되며, 단상과 3상의 두 종류가 있다.
여러 가지 변압기 중에 일례로 송, 변전 전력용 변압기는 국내의 경우 1차 전압이 345kV 또는 154kv 특고압으로 되어 있으며, 이것을 배전 및 각 수용가에 알맞은 전압으로 하기 위하여 154kV 또는 22.9kv의 2차 전압으로 변환시키며 통상 3상 4선식 Y결선 방식을 사용한다.
일반적인 3상 4선식 Y결선 방식의 변압기는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 고압선로의 A상, B상, C상 선로를 각각 단상 변압기인 A상 변압기, B상 변압기 및 C상 변압기의 1차 코일 측(1)에 결선하고, 각 상 변압기의 2차 코일 측(5) 출력을 저압선로의 각상에 결선하며, 상기 3대의 변압기의 N(중성선)상을 공통 N상 선로로 결선하여 송전 또는 배전선로의 N상 선로에 연결하게 된다.
그리고, 3상에는 하나의 검출기(10) 및 제어기(12)를 공통으로 연결함으로써 전력 변압기의 사고 여부를 판단하고 개통을 제어하게 된다.
참고로 전력용 변압기 시스템에서 발생할 수 있는 사고유형은 외부사고와 내부 사고로 분류될 수 있다.
외부사고로는 고압측 지락, 저압측 지락, 접지측 지락 등과 같은 사고를 의미하고, 내부사고는 전력용 변압기의 내부 온도, 유량, 가스, 압력 등의 변화와, 권선간 층간 절연 파괴를 포함한 탱크 내부 지락 및 단락사고를 의미한다.
외부사고의 경우, 전력 공급 선로의 어느 일부에 지락, 단락 등이 사고가 발생한 경우, 또는 작업상 일부분을 정전한 경우, 전 구간 또는 장 구간에 걸쳐 전기공급이 정지되는 문제점이 있다.
또한, 전력 변압기 자체의 사고인 경우, 다수의 전력 변압기에 대한 자체 사고발생시 전력 변압기를 보호할 수 없어, 다수의 전력 변압기의 급전 전원을 신속히 차단하지 못하므로 다수의 전력 변압기의 사고가 전체 전기공급 시스템으로 파급될 수 있는 문제점이 있다.
그리고, 전력 변압기에 있어서, 3상 결선 1뱅크(Bank)인 경우에는 단상 변압기가 3개 장착되므로 단위 중량이 크고, 운송 및 설치, 유지, 보수 등이 불편한 문제점이 있다.
또한, 종래의 전력 변압기는 각 상별로 별도의 검출기를 적용하지 않고 3상을 일괄하여 하나의 검출기 및 제어기를 공통으로 연결함으로써 사고 여부를 판단하였는 바, 이 경우 구체적으로 어느 상에 사고가 발생하였는지를 판단하기 어려운 문제점이 있다.
한국공개특허 제1993-24243호(발명의 명칭: 디지탈 비율차동 보호 계전기)
따라서, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 과제는 3상 전력변압기에 있어서, 각 상별로 검출기를 적용하여 비율의 차전류값을 비교함으로써 전력 변압기의 내부 혹은 외부사고를 판단하여 부하(가압) 및 무부하(비가압) 중에 본선과 용이하게 분리할 수 있는 전력 변압기 보호회로 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 일 실시예는, 송변전용 3상용 단상 전력 변압기 보호회로 시스템에 관한 것으로서,
상기 전력 변압기 보호회로 시스템은, 고압측인 3상의 1차측 권선(2) 및 저압측인 3상의 2차측 권선(4)으로 각각 구성되는 3상 전력 변압기(3)와;
3상 전력 변압기(3)의 전원측에 각각 연결되어 1차측 권선(2)과, 2차측 권선(4)과, 접지측의 전류를 검출하는 계기용 변류기(CTA,CTB,CTC,CTa,CTb,CTc)와;
3상 전력 변압기(3)에 연결되어 접지측의 전류를 검출하는 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc)와;
계기용 변류기(CTA,CTB,CTC,CTa,CTb,CTc) 및 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc)와 연결되어 1차측 권선(2)과, 2차측 권선(4)과, 접지측의 비율의 차전류값을 비교하여 차전류 발생시 작동하는 검출기(7a,7b,7c)와;
검출기(7a,7b,7c)와 연동하여 본선과 전력 변압기(3)를 차단하여 분리하는 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)와; 그리고
전력 변압기(3)와, 검출기(7a,7b,7c) 및 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)와 연결되어 차전류 발생시 상기 개폐기(9a,9b)를 작동시키고 경고를 발생하는 제어기(11a,11b,11c)를 포함한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 변압기 보호회로 시스템은, 3상 전력 변압기에 있어서, 각 상별로 검출기를 적용하여 각 비율의 차전류값을 비교함으로써 전력 변압기의 내부 혹은 외부사고를 판단하여 부하(가압) 및 무부하(비가압) 중에 본선과 용이하게 분리시킴으로써 사고를 예방할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전력 변압기 내부 구조를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전력 변압기 보호회로 시스템의 상세 회로를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변압기 보호 시스템의 회로를 각 상별로 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 전력 변압기 보호회로 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변압기 보호회로 시스템은,
고압측인 3상의 1차측 권선(2) 및 저압측인 3상의 2차측 권선(4)으로 각각 구성되는 3상 전력 변압기(3)와;
3상 전력 변압기(3)의 전원측에 각각 연결되어 1차측 권선(2)과, 2차측 권선(4)의 전류를 검출하는 계기용 변류기(CTA,CTB,CTC,CTa,CTb,CTc)와;
3상 전력 변압기(3)에 연결되어 접지측의 전류를 검출하는 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc)와;
계기용 변류기(CTA,CTB,CTC,CTa,CTb,CTc) 및 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc)와 연결되어 1차측 권선(2)과, 2차측 권선(4)과, 접지측의 비율의 차전류값을 비교하여 차전류 발생시 작동하는 검출기(7a,7b,7c)와;
검출기(7a,7b,7c)와 연동하여 본선과 전력 변압기(3)를 차단하여 분리하는 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)와; 그리고
전력 변압기(3)와, 검출기(7a,7b,7c) 및 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)와 연결되어 차전류 발생시 개폐기를 작동시키고 경고를 발생하는 제어기(11a,11b,11c)를 포함한다.
이러한 전력 변압기 보호회로 시스템에 있어서, 상기 전력 변압기(Autotrans former;3)는 전기공급선로의 전압강하를 보상하기 위해 사용되며, 하나의 권선을 1차와 2차로 공용할 수 있어서 누설 자속이 적고, 전압 변동률이 작아서 효율도 좋다.
상기 전력 변압기는 1개의 3상 변압기로 구성되는 바, 각 변압기는 철심에 코일이 권취되고 각 철심에 3상(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)이 연결되는 구조이다.
이러한 3상용 전력 변압기는, 고압 전력이 인가되는 1차측 권선(2)과, 1차측 권선(2)에 인가된 전력이 전자유도작용에 의해서 저압 전력으로 변성되는 2차측 권선(4)과, 1차 및 2차측 권선(2,4)에 연결되는 접지단자(6)로 이루어진다.
그리고, 1차측 권선(2)에는 3상의 권선(A,B,C)이 연결되고, 각 권선(A,B,C)에는 입측 개폐기(9a,9b,9c) 및 입측 변류기(CTA,CTB,CTC)가 각각 연결된다. 이때 변류기는 계기용 변성기를 의미한다.
또한, 2차측 권선(4)에도 3상의 권선(a,b,c)이 연결되고, 각 권선(a,b,c)에는 출측 개폐기(9d,9e,9f) 및 출측 변류기(CTa,CTb,CTc)가 연결된다.
또한, 전력 변압기(3)의 3상 권선(a,b,c) 각각에는 검출기(7a,7b,7c) 및 제어기(11a,11b,11c)에 연결된다.
이러한 검출기(7a,7b,7c)는 전류비율검출기 등 다양한 검출기를 포함하며, 예를 들면 압력검출기, 온도검출기, 유량검출기, 가스검출기 등을 포함한다. 따라서, 상기 검출기(7a,7b,7c)에 의하여 압력, 온도, 유량, 가스와 같은 전력 변압기(3)의 내부 물성변화를 감지할 수 있다.
그리고, 검출기(7a,7b,7c)는 입력단자가 두 개 이상이 있어 어느 입력단자에 유입되는 양과 또 다른 입력단자에 유입되는 양의 절대치를 비교하여 그 값의 차가 유입전류의 어느 비율이 되면 접점이 폐로(Close)또는 개로(Open) 되어 동작신호를 출력하게 된다.
이러한 검출기(7a,7b,7c)는 상기 제어기(11a,11b,11c) 및 입측 및 출측 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)와 연동하여 차단(Trip)시키거나 경보(Alarm)를 발생한다.
즉, 전력 변압기(3)의 고장 혹은 장애시 검출기(7a,7b,7c)가 이를 감지하고, 제어기(11a,11b,11c)의 신호에 따라 입출측 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)가 개방됨으로써 부하(가압) 및 무부하(비가압) 중에 전력 변압기(3)를 본선으로부터 분리하여 보호할 수 있다.
이때, 전력 변압기(3)의 고장 및 장애의 예로는 지락, 단락, 압력, 온도, 가스 등을 포함한다.
특히, 압력, 온도, 가스로 인한 고장시에는, 전력 변압기(3)의 내부에서 절연파괴가 발생되면 2차적으로 열과 기름속의 아크 때문에 절연물이나 기름이 분해되어 다량의 분해가스와 기름의 증기가 발생되어 탱크의 압력이 급격히 상승하게 된다.
이것을 검출하는 검출기(7a,7b,7c)의 신호가 제어함(11)에 전달되고, 제어함(11)이 비교 검출하여 제어신호를 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)에 전달함으로써 트립(Trip)지령을 주어 트립시킨다.
이러한 검출기(7a,7b,7c)는 본 발명에서는 1차측 계기용 변류기(CTA,CTB,CTC)와, 2차측 계기용 변류기(CTa,CTb,CTc)와, 접지측 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc) 사이에서 검출된 비율의 차전류값을 비교하여 정정치 이상의 비율의 차전류가 발생하면 입출측 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)를 개방하게 된다.
즉, 1차측 계기용 변류기(CTA,CTB,CTC)와, 2차측 계기용 변류기(CTa,CTb,CTc)와, 접지측 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc) 사이에서 검출되는 전류의 값은 같게(180도 위상차) 나타나는 바, 검출된 1차측 비율의 차전류값과, 2차측 비율의 차전류값, 접지측 비율의 차전류값을 비교함으로써, 전력 변압기(3)의 자체 내부고장으로 판단할 수 있다.
이러한 판단과정을 보다 상세하게 설명하면,
검출기(7a,7b,7c)는 1차측 계기용 변류기(CTA,CTB,CTC)와, 2차측 계기용 변류기(CTa,CTb,CTc)와, 접지측 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc) 사이에서 검출된 비율의 차전류값을 연산함으로써 그 결과값(Id)이 0인 경우는 정상상태로 판단하고, 0이 아닌 경우는 고장으로 판단한다.
즉, 3상중 제 1상을 예를 들면,
Id=0인 경우에는, IAN=IA+Ia 이고,
Id≠0인 경우에는, IAN≠IA+Ia이다.
(IN=변류기를 통과하는 전류, IA:1차측 계기용 변류기에 흐르는 전류
Ia:2차측 계기용 변류기에 흐르는 전류, Id: 차전류)
동일한 원리로 3상중 제 2상을 예를 들면, 아래와 같은 수식에 의하여 정상 및 비정상 상태가 판단된다.
Id=0인 경우에는, IBN=IB+Ib 이고,
Id≠0인 경우에는, IBN≠IB+Ib이다.
(IBN=변류기를 통과하는 전류, IB:1차측 계기용 변류기에 흐르는 전류
Ib:2차측 계기용 변류기에 흐르는 전류, Id: 차전류)
동일한 원리로 3상중 제 3상을 예를 들면, 아래와 같은 수식에 의하여 정상 및 비정상 상태가 판단된다.
Id=0인 경우에는, ICN=IC+Ic 이고,
Id≠0인 경우에는, ICN≠IC+Ic이다.
(ICN=변류기를 통과하는 전류, IC:1차측 계기용 변류기에 흐르는 전류
Ic:2차측 계기용 변류기에 흐르는 전류, Id: 차전류)
이러한 원리에 의하여 사고 여부를 판단하는 과정을 설명하면,
3상중 1상(Ⅰ)의 경우, 1차측 계기용 변류기(CTA,CTB,CTC)에 흐르는 전류를 IA, 2차측 계기용 변류기(CTa,CTb,CTc)에 흐르는 전류를 Ia라고 할 때, 전력 변압기(3)에 지락이 없는 경우에는 중성선에 흡상되는 전류가 IA+Ia로 연산될 수 있다.
따라서, 전력 변압기(3)의 1차 및 2차측 계기용 변류기(CTA,CTB,CTC,CTa,CTb,CTc)에 흐르는 전류의 백터합/차전류(Id)의 절대값은 │-IA-Ia+(IA+Ia)│=0이다.
그리고, 전력 변압기(3)의 권선(A,B,C)에 지락이 발생한 경우에는, 지락점의 임피던스가 전력 변압기(3) 중성선의 임피던스보다 낮기 때문에, IA는 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc)를 통과하지 못하고 지락점으로 흐르게 된다.
결국, 흡상전류는 Ia만 흐르게 되며, 전력 변압기(3)에 연결된 1차 및 2차측 계기용 변류기(CTA,CTB,CTC,CTa,CTb,CTc)에 흐르는 전류의 백터합/차전류(Id)의 절대값은
│-IA-Ia+(IA+Ia)│=IA이다.
따라서, 검출기(7a,7b,7c)는 키르히호프의 전류법칙에 따라 정상상태에서는 차전류가 발생하지 않아서 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)의 동작을 억제하지만, 고장시에는 고장점을 통해서 흐르는 전류 때문에 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)가 동작한다.
이러한 원리는 3상중 2상(Ⅱ) 혹은 3상(Ⅲ)의 경우에도 동일하게 적용되므로 이하 상세한 설명은 생략한다.
결국, 전력 변압기(3)의 내부사고시에는 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)가 동작함으로써, 변전소에서 급전선을 차단하지 않고 고장난 전력 변압기(3)를 미리 분리하여 철도운행에 지장을 주지않는다.
반면에, 전력 변압기(3)의 외부사고를 판단하는 경우를 설명하면,
전력 변압기(3)에 흐르는 고장전류의 백터합은 0이므로, 전력 변압기(3)의 검출기(7a,7b,7c)는 작동하지 않는다. 즉, 전력 변압기(3)의 외부사고시에는 검출기(7a,7b,7c)의 동작이 억제됨으로 계전기의 동작에 영향을 주지 않는다.
상기한 바와 같이, 검출기(7a,7b,7c)의 작동원리를 이용함으로써, 전력 변압기(3)의 내부사고와 외부사고를 구분할 수 있으며, 전력 변압기(3)에 고장 혹은 장애가 발생한 경우, 검출기(7a,7b,7c)가 동작하여 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)를 부하(가압) 또는 무부하(비가압)중에 차단하여 본선과 전기적으로 분리함으로써 무정전 상태에서 가능하다.
1: 전력 변압기 보호회로
3: 전력 변압기
7a,7b,7c: 검출기
9a,9b,9c,9d,9e,9f: 계기용 변류기
11a,11b,11c: 제어기

Claims (3)

  1. 송변전용 3상용 단상 전력 변압기 보호회로 시스템에 있어서,
    상기 전력 변압기 보호회로 시스템은, 고압측으로서 3상의 권선(A,B,C)이 각각 연결되는 1차측 권선(2) 및 저압측으로서 3상의 권선(a,b,c)이 각각 연결되는 2차측 권선(4)으로 각각 구성되는 3상 전력 변압기(3)와;
    3상 전력 변압기(3)의 1차 전원측인 3상의 권선(A,B,C)에 각각 연결되어 1차측 권선(2)의 전류를 검출하는 입측 변류기(CTA,CTB,CTC)와;
    3상 전력 변압기(3)의 2차 전원측인 3상의 권선(a,b,c)에 각각 연결되어 2차측 권선(4)의 전류를 검출하는 출측 변류기(CTa,CTb,CTc)와;
    3상 전력 변압기(3)에 연결되어 접지측의 전류를 검출하는 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc)와;
    계기용 변류기(CTA,CTB,CTC,CTa,CTb,CTc) 및 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc)와 연결되어 1차측 권선(2)과, 2차측 권선(4)과, 접지측의 비율의 차전류값을 비교하여 차전류 발생시 작동하는 검출기(7a,7b,7c)와;
    검출기(7a,7b,7c)와 연동하여 본선과 전력 변압기(3)를 차단하여 분리하는 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)와; 그리고
    전력 변압기(3)와, 검출기(7a,7b,7c) 및 개폐기(9a,9b,9c,9d,9e,9f)와 연결되어 차전류 발생시 상기 개폐기(9a,9b)를 작동시키고 경고를 발생하는 제어기(11a,11b,11c)를 포함하며,
    전력 변압기는 일측에 압력검출기, 온도검출기, 유량검출기, 가스검출기가 선택적으로 연결됨으로써 전력 변압기 내부의 물성변화를 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 변압기 보호회로 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 검출기는 1차측 계기용 변류기(CTA,CTB,CTC)와, 2차측 계기용 변류기(CTa,CTb,CTc)와, 접지측 중성선 변류기(CTNa, CTNb, CTNc) 사이에서 검출된 비율의 차전류값을 아래 수식에 의하여 연산함으로써 그 결과값(Id)이 0인 경우는 정상상태로 판단하고, 0이 아닌 경우는 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전력 변압기 보호회로 시스템.
    3상중 제 1상의 경우,
    Id=0인 경우에는, IAN=IA+Ia 이고,
    Id≠0인 경우에는, IAN≠IA+Ia이다.
    (IN=변류기를 통과하는 전류, IA:1차측 계기용 변류기에 흐르는 전류
    Ia:2차측 계기용 변류기에 흐르는 전류, Id: 차전류)
    3상중 제 2상의 경우,
    Id=0인 경우에는, IBN=IB+Ib 이고,
    Id≠0인 경우에는, IBN≠IB+Ib이다.
    (IBN=변류기를 통과하는 전류, IB:1차측 계기용 변류기에 흐르는 전류
    Ib:2차측 계기용 변류기에 흐르는 전류, Id: 차전류)
    3상중 제 3상의 경우,
    Id=0인 경우에는, ICN=IC+Ic 이고,
    Id≠0인 경우에는, ICN≠IC+Ic이다.
    (ICN=변류기를 통과하는 전류, IC:1차측 계기용 변류기에 흐르는 전류
    Ic:2차측 계기용 변류기에 흐르는 전류, Id: 차전류)
  3. 삭제
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